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十字旋阀塔板效率的研究

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《现代化工杂志》2015年第九期

摘要:

以环己烷-正庚烷物系,在直径为0.75m、内置4块塔板、40m2板式再沸器和30m2板式冷凝器的精馏塔中考察了开孔率、阀孔动能因子、回流比等因素对十字旋阀塔板默弗里板效率的影响。其中开孔率变量是8.22%、11.0%和13.56%;阀孔动能因子变化范围是(5~13)(m/s)(kg/m3)0.5;回流比变量是∞、15、10、8。在开孔率为11.0%,回流比为15的条件下,与F1型浮阀的板效率做了对比。将实验值与AIChE效率模型、变型的Chen-Chuang效率模型的计算值也进行了对比。结果表明,在相同操作条件下,开孔率越大,塔板效率越低,且波动也越大;在相同开孔率条件下,塔板效率随回流减小而变小;基于Liang等的变型Chen-Chuang模型更加适合十字旋阀塔板的板效率预测,其误差较小,为工业设计提供了参考。

关键词:

十字旋阀;板效率;开孔率;阀孔动能因子;回流比

浮阀塔板由于可以自动调节气体流通面积,具有操作弹性大和操作稳定的优点,是目前应用最为广泛的塔板,但浮阀形式多样,传质性能有所差异,使得研究人员很难建立统一通用的浮阀塔板效率模型,而目前塔板效率模型都是以泡罩塔和筛板塔的实验数据进行关联的,应用于浮阀塔有一定的局限性。十字旋阀塔板是在F1型浮阀塔板的基础上结合导向浮阀的综合优点而设计改造的,它的特点是:在板面上特制十字形阀孔,并装配十字构型阀片,阀腿三面开有导向孔,与液流方向相反的阀腿不开导向孔,气流从浮阀四周吹出,有较大的通道面积,并且减小了气液对冲,同时,气流上升产生旋流,有效减少了雾沫夹带。冷模实验已指出,在小液流强度下,气液接触充分且鼓泡细腻,泡沫层高度稳定,压降低,流体力学性能较好[1]。因此,对十字旋阀塔板传质效率的研究和建模尤为重要。实验室小型精馏塔设备与工业规模的工况大不相同,在放大过程中塔板上的气液流体力学的差异造成塔板效率不同。要在实验室中建一套中试规模精馏塔,并采用国际公认标准物系测定塔板效率,完成部分回流操作,存在着空间和运转成本无法承受的难题。华东理工大学利用循环、混合、塔釜进料,巧妙设计改造了国内第一座中试规模连续精馏实验装置,专门测定工业塔板的板效率,实验数据可直接为工业应用提供设计帮助。

1板效率模型

1.1AIChE塔板效率模型20世纪50年代,美国化学工程师协会综合了对塔板效率的影响因素,如物性参数、塔板细部结构、操作条件等,提出了AIChE[2]效率模型,计算依据为:按照双膜理论计算点效率;按照一维涡流扩散模型和液体在塔板上的轴向返混计算塔板效率。该模型没有考虑气液流态,如气速的分布对液流和塔板返混的影响,且当求液膜控制体系的点效率时,用此模型误差偏大。总体来说,其建模的方法提供了方向,如塔板上气液相传质单元数的关联式和采用的返混模型等。

1.2Chen-Chuang塔板效率模型以溶质渗透理论为基础,采用了气体和液体的停留时间的计算及增加了对相界面积的关联计算。此效率模型适用于鼓泡状态下的效率计算,考虑了表面张力并且从相界面积着手。相对于AIChE而言,其预测浮阀类塔板效率更加符合实际。由于浮阀种类众多,为每种浮阀都建立相对应的效率模型而都进行实验耗费巨大的人力和物力。通过分析发现,对浮阀板效率模型的建立和预测只能对筛板效率模型进行改良[4],如一些重要流体力学清液层高度和相界面积的关联。发现考虑到浮阀结构因素,在Chen-Chuang模型基础上对清夜层高度、涡流扩散系数及相界面积进行改良,比较适合十字旋阀塔板。

2实验部分

实验在一直径为750mm、塔高4000mm、内置4块塔板、板间距为600mm的热模塔(塔设备参数见表1)内进行,将塔顶出料与塔釜循环液混合进入塔釜再沸器,在塔釜以饱和蒸汽连续上升,全塔只有精馏段。进料量变化范围为143~229L/h,环己烷的质量分数约为0.55。以环己烷-正庚烷为物系,常压、部分回流操作,改变塔釜的加热蒸汽量来改变塔内的气液相负荷。取样,利用气相色谱,选用归一化法定量分析浓度。实验装置流程如图1所示。

3结果及分析

3.1开孔率对板效率的影响由图2中可以看出,当处于正常的操作范围内,开孔率越小,塔板效率越大;当F在8~10(m/s)(kg/m3)0.5之间时,塔板效率接近;其中=13.56%的塔板效率波动较大,幅度为10%~20%。可能因为开孔率越大,漏液点高,从视镜中可以看到浮阀部分开启,随机漏液,气速分布不均匀造成塔板上液体返混较大,导致塔板效率波动比较大。当气速增大到一定程度,在F=8~10(m/s)(kg/m3)0.5时,=11.0%和=8.22%的塔板都处于操作气速范围内,漏液量减小,浮阀均匀地开启且自动调节,鼓泡面积较大,传质效率较高,且塔板上气液相接触和传质情况相近,因此,板效率相差不大。随着气速的继续增大,F>10(m/s)(kg/m3)0.5时,浮阀基本处于全开状态,小开孔率的塔板上的气液接触状态为喷射状态,气体变为连续相,液体变为分散相,气液传质面积变为液滴表面,相界面积增大,传质效果显著增强。

3.2回流比对塔板效率的影响从图3中可以看出,=11.0%时,板效率随着气速的增大而增大,当F>9(m/s)(kg/m3)0.5时,板效率变化较大;回流比越大,塔板效率也越大,当回流比R>15时,与全回流的曲线有部分交错;而当R<15时,板效率的波动明显增大。可能是由于回流比的减小导致塔板上气液推动力减小,气液相传质速率降低,从而板效率降低,且当回流比进一步减小到8时,操作气速下降到低于漏液点气速,气液接触状态不良,非理想流动因素增多,造成塔板气液浓度分布不均,返混较大,塔板效率波动较大。全回流时,气液相流量达到最大,系统较稳定且气液相接触较充分,气液相传质推动力最大,因此,传质效率较高,波动较小;而回流比较大时类似于全回流,液气比对板效率的影响甚微,因为通过计算进入塔釜的物料的能量和浓度,得出其对塔釜没有影响,所以R=15和R=∞的板效率曲线有相当一部分重合在一起。

3.3F1和十字旋阀塔板的比较通过图4可以看出,在开孔率相同的情况下,十字旋阀塔板的板效率高于F1约10%,但随着阀孔动能因子的增大变化不是很明显;相同塔釜供热和开孔率下,十字旋阀可以达到更大的阀孔动能因子,说明其传质阻力比F1小,更加有利于传质,从而表现出比F1较高的塔板效率,这其中主要是F1的塔板结构所致,由于气体经浮阀向四周吹出,造成塔板液体返混大且液层分布不均匀,而十字浮阀的结构对液体有推动作用,液层分布较均匀,增大了其操作弹性,这样减少了在较大气速下的雾沫夹带,并且在稳定操作情况下,其十字结构造成的十字旋流减小了液体的对冲,更加有利于液体的破碎,增加了气液传质面积和湍动,提高了传质效率。

3.4板效率模型值、实验值的比较本文中以开孔率为11.0%和在R=∞的情况下的第三块为例,从表2看出,AIChE模型计算的值随着阀孔能因子的增大而减小,并且与计算值的误差越来越大,而基于Molnar的涡流扩散模型的变型Chen-Chuang模型计算值较符合实际,相对于AIChE模型,说明其从相界面着手采用溶质渗透理论这一思路,比较适用十字旋阀塔板效率的计算,可是由于它没有考虑到浮阀的几何结构对气液流动造成的影响,在估算相界面积上不是很准确。最后采用Liang等的相界面积关联式替代Chen-Chuang模型的相界面积关联式的计算较真实地反映了浮阀结构对气速分布的影响不同于筛板结构,所以基于Liang等相界面积的变型的Chen-Chuang模型计算值较前2种方法更接近实际值,且为浮阀塔板效率的预测提供了一定的参考。

4结论

通过考察开孔率不同阀孔动能因子和回流比对十字旋阀塔板塔板效率的研究,并将其和F1型塔板效率进行比较,综合得出以下结论。(1)同一回流比下,开孔率的减小有利于提高塔板效率;开孔率越大,塔板效率波动越大。(2)相同开孔率下,随着回流比的减小,塔板传质效率波动增大,塔板效率降低。(3)在相同操作条件下,十字旋阀塔板的效率略高于F1型塔板,为塔板的设计提供了一定的方案。(4)相较于AIChE模型和基于Molnar的涡流扩散模型的变型Chen-Chuang模型,基于Liang等的变型Chen-Chuang模型更加适合十字旋阀塔板的板效率预测,其误差较小,为工业设计提供了依据。

参考文献

[1]宇星,华志明,王建亮,等.十字旋阀塔板的流体力学性能[J].华东理工大学学报:自然科学版,2006,32(5):519-523.

[2]兰州石油机械研究所.现代塔器技术[M].2版.北京:中国石化出版社,2005.

[3]GuangXChen,KarlTChuang.Predictionofpointefficiencyforsievetraysindistillation[J].IndEngChemRes,1993,32:701-708.

[4]AnandNVennavelli,JamesRWhiteley,MichaelRResetarits.Pre-dictingvalvetrayefficiency[J].ChemicalEngineeringResearchandDesign,2014,92(11):2148-2152.

[5]LiangYin-Chun,ZhouZheng,ShaoMin,etal.Theimpactofvalvetraygeometryontheinterfacialareaofmasstransfer[J].AICHEJournal,2008,54(6):1470-1477.

作者:赵培 杨康 张秋香 单位:华东理工大学化工学院

现代化工杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次